专利名称：一种单层有机太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于光电转换器件技术领域，具体的说是涉及一种单层有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
太阳能电池是一种将光能转换为电能的光伏器件。从1%4年贝尔实验室报道了效率为4%的无机太阳能电池开始，半个世纪以来，太阳能电池获得了飞速的发展，在全球范围内都掀起来一场“绿色能源革命”。20世纪90年代以后，无机太阳能电池家族中又发展起来了砷化镓、碲化镉等等光伏器件。但是，直到今天，居高不下的成本是限制无机半导体太阳能电池大规模推广应用的首要问题。然而成本问题主要还是由无机材料本身带来的， 所以只有真正低成本的绿色能源才是解决能源问题有效途径。有机太阳能电池的研究始于1958年，Keams和Calvin将镁酞菁染料(MgPc)夹在两个不同功函数的电极之间，制成“三明治”结构，从而得到了 200mV的开路电压，但是其短路电流输出则非常低，所以其能量转换效率也相对较低。这种单层有机太阳能电池结构，在 1986年被C. W. Tang采用双层异质结结构所替代，得到了的能量转换效率。能量转换效率得到大幅提升的原因即是认为双层异质结结构提供一个高效的激子拆分的界面，也即是说双层异质结构使得中性的电子-空穴对拆分成自由载流子变得更加的容易。显而易见的是，双层异质结构的引入大大增加了有机太阳能电池器件的复杂程度，而且由于异质结结构的质量对整个电池的输出是至关重要的，所以对异质结生长的控制要求相对较为苛刻。 因此，如果能够在原有单层“三明治”结构有机太阳能电池的基础上加以改进，也能够得到异质结光伏电池的性能要求的话，则必将进一步简化有机太阳能电池的生产程序，并且能够降低其工艺成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种单层有机太阳能电池，该太阳能电池阴极电极层的至少一面上设置了低于阴极电极层功函数值的金属纳米颗粒层， 从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对的激子拆分效率， 提升单层有机太阳能电池的能量转换效率。本发明的另一目的在于提供一种单层有机太阳能电池的制备方法。为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下—种单层有机太阳能电池，包括透明绝缘衬底、和在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层和阴极电极层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。以及，一种单层有机太阳能电池制备方法，其包括如下步骤制备透明绝缘衬底；在所述透明绝缘衬底的其中一面上形成透明阳极电极层；
在透明阳极电极层上沉积光敏材料，形成光敏层；在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层，从而得到所述的单层有机太阳能电池，其中，所述阴极电极层至少一面层叠有金属纳米颗粒层；其中，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。所述单层有机太阳能电池器件在其阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层， 金属纳米颗粒层的功函数值低于阴极电极层功函数值，对阴极电极层进行修饰，降低了阴极电极层的功函数，从而进一步增大了阴极电极层与透明阳极电极层之间功函数差，从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对激子拆分的效率，最终提升单层有机太阳能电池的能量转换效率。同时，单层有机太阳能电池器件的制备方法是将该太阳能电池器件各层依次形成，使得各层的连接紧密、牢固，从而使得该太阳能电池器件性能稳定，生产效率高，降低了生产成本，适于工业化生产。
图1是本发明实施例的单层有机太阳能电池第一实施方式的结构示意图；图2是本发明实施例的单层有机太阳能电池第二实施方式的结构示意图；图3是本发明实施例的单层有机太阳能电池第三种实施方式的结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。一种单层有机太阳能电池，包括透明绝缘衬底、和在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层和阴极电极层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。本实施例单层有机太阳能电池有以下三种实施方式请参阅图1，显示本发明实施例的单层有机太阳能电池第一实施方式的结构示意图。本实施方式中，该单层有机太阳能电池包括透明绝缘衬底5、和在透明绝缘衬底5上依次层叠形成的透明阳极电极层4、光敏层3、金属纳米颗粒层2和阴极电极层1。由于金属纳米颗粒层2中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层1的功函数值，因此，阴极电极层 1化学性稳定，难被氧化，而金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒化学性活泼，易被氧化，本实施方式是将金属纳米颗粒层2设置在光敏层3、阴极电极层1之间，也即是将金属纳米颗粒层2层叠形成在阴极电极层1靠近光敏层3的一面上，从而有效的将金属纳米颗粒层2与氧气隔绝，有效的保护了金属纳米颗粒层2不被氧化，使得金属纳米颗粒层2的功能性稳定。请参阅图2，显示本发明实施例的单层有机太阳能电池第二实施方式的结构示意图。本实施方式中，该单层有机太阳能电池包括透明绝缘衬底5、和在透明绝缘衬底5上依次层叠形成的透明阳极电极层4、光敏层3、金属纳米颗粒层2、阴极电极层1和金属纳米颗粒层2’，其中金属纳米颗粒层2和金属纳米颗粒层2’的材质可以为一样或不一样，均为功函数值低于阴极电极层的功函数值的金属纳米颗粒。本实施方式是在阴极电极层1的两面上均层叠形成有金属纳米颗粒层，由上述分析可知，由于金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层1的功函数值，因此，阴极电极层1化学性稳定，金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒化学性活泼，而本实施方式是将金属纳米颗粒层层叠设置在阴极电极层1两面，从而有效的将层叠在阴极电极层1上靠近光敏层3 —面的金属纳米颗粒层2与氧气隔绝，有效的保护了金属纳米颗粒层2不被氧化，使得金属纳米颗粒层2的功能性稳定， 层叠在阴极电极层1另一面上的也即是暴露在大气中的金属纳米颗粒层2’的表面随着时间的推移，将被慢慢氧化，从而使得金属纳米颗粒层2’的功能稳定性有所降低，但是并不影响本实施方式中的单层有机太阳能电池整体性能。为了防止金属纳米颗粒层2’被氧化，可以在金属纳米颗粒层2’外表面涂上一层抗氧化保护膜层。请参阅图3，显示本发明实施例的单层有机太阳能电池第三种实施方式的结构示意图。本实施方式中，该单层有机太阳能电池包括透明绝缘衬底5、和在透明绝缘衬底5上依次层叠形成的透明阳极电极层4、光敏层3、阴极电极层1和金属纳米颗粒层2’，其中金属纳米颗粒层2’的材质与上述两种实施方式中的金属纳米颗粒层2的材质是一样的。该实施方式是在背离光敏层3的阴极电极层1的一面上层叠有金属纳米颗粒层2’，也即是将金属纳米颗粒层2’层叠在阴极电极层1的外表面，由上述分析可知，由于金属纳米颗粒层 2’中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层1的功函数值，因此，阴极电极层1化学性稳定，金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒化学性活泼，易被氧化，但是本实施方式阴极电极层1不能有效的保护金属纳米颗粒层2’不被氧化，使得暴露在大气中的金属纳米颗粒层 2’的随着时间的推移，其表面的金属纳米颗粒将被慢慢氧化，从而使得金属纳米颗粒层2’ 的功能稳定性有所降低，从而导致本实施方式中的单层有机太阳能电池整体性能也有所下降。但是金属纳米颗粒层2’表面的被氧化的金属纳米颗粒将起到保护层的作用，对金属纳米颗粒层2’靠近阴极电极层1的内部金属纳米颗粒起到隔绝氧的作用，使得金属纳米颗粒层2’靠近阴极电极层1的内部金属纳米颗粒不被氧化，使得金属纳米颗粒层2’的功能性趋于稳定。从而使得本实施方式的单层有机太阳能电池整体性能也趋于稳定。为了防止金属纳米颗粒层2’被氧化，可以在金属纳米颗粒层2’外表面涂上一层抗氧化保护膜层。上述透明绝缘衬底5的材质优选为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃或钠钙玻璃等透明玻璃，或者聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)或聚酯(PET)等透明绝缘塑胶，其厚度优选为 1. 1-1. 5mmο上述透明阳极电极层4的材质优选为氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝(AZO)、氧化锌镓 (GZO)、氧化铟锌(IZO)等透明氧化物薄膜，或者金(Au)薄膜、铝(Al)、银(Ag)等的金属薄膜，或者碳纳米管的导电薄膜，其厚度优选为80-120纳米。由于该透明阳极电极层4采用透明的导电材质或者金属薄膜构成，且厚度薄，因此既能起到电极的作用，又不影响太阳光的透过。该透明阳极电极层4也即是单层有机太阳能电池的阳极，并可采用光刻腐蚀方法将其腐蚀成条纹图样，从而形成条纹图样电极。上述光敏层3的材质优选为酞菁染料、并五苯、吓啉化合物、菁染料等空穴传输材料，或者富勒烯(如C6(I、CTO等)、PTCDA、二奈嵌苯、二奈嵌苯衍生物等电子传输材料，再或者为CcKe、CdS、CdTe、Ti02、ZnO.PbS,SnO2、碳纳米管或石墨烯等无机纳米材料，其厚度优选为 50-100nm。该光敏层3作为吸收光产生光电流的主要光敏区域，其作用是光敏层3吸收光子能量之后，会产生少量的自由载流子，但是更多的情形是产生具有一定束缚力的电子-空穴对，也就是激子，激子呈电中性，在单层有机太阳能电池器件的内部电场作用下被拆分成自由载流子，该自由载流子在光敏层3中分别向两个电极漂移，从而形成光电流输出。上述金属纳米颗粒层2和金属纳米颗粒层2’中的金属纳米颗粒优选为其功函数值低于阴极电极层1功函数值的金属材质，例如采用锂(Li))、铯(Cs)、钾⑷、钠(Na)中的至少一种，该金属纳米颗粒层2的厚度优选为0. 5-lnm。由于金属纳米颗粒层2厚度很薄， 因而其对太阳光的损耗很小，可以忽略不计，所以大部分太阳光仍为光敏层3所吸收，当厚度大于Inm时，会反射太阳光，不利于吸收，影响效果，而厚度小于0. 5nm时，起不到降低功函数的目的，效果也不好。当然金属纳米颗粒层2’由于层叠在暴露大气一面的阴极电极层 1上，金属纳米颗粒层2’的厚度优选0. 5-lnm，但不仅仅限于该厚度，也可以大于lnm，因为， 金属纳米颗粒层2’的厚度不会造成被光敏层3吸收的太阳光的损耗，而且金属纳米颗粒层 2’厚度适当的增加，更有利于保护金属纳米颗粒层2’中靠近阴极电极层1的内部金属纳米颗粒不被氧化，使得金属纳米颗粒层2’的功能性趋于稳定，从而使得保证了单层有机太阳能电池整体性能的稳定。上述阴极电极层1由Ag、Al，Ca-Al合金、Mg-^Vg合金等金属薄膜，或者为ITO或 ZnO等金属氧化物构成的高反射率电极，该阴极电极层1的厚度为80-120nm。该阴极电极层1也即是单层有机太阳能电池的阴极。传统单层有机太阳能电池之所以效率不高，其主要原因是电池中的光生激子不能得到有效的拆分。激子拆分这一过程主要发生在界面处、杂质缺陷处已经在电场的作用下进行拆分。然而在单层有机太阳能电池中，缺少了激子拆分的给体-受体界面，激子的拆分主要于材料内部杂质陷阱处在电场的作用下进行，同时在有机材料和电极界面处也会有少量的激子拆分。但是这一部分激子拆分效率与异质结界面拆分相比要弱许多，这也是单层有机太阳能电池效率较低的最主要的原因。基于此理论，本发明实施例在阴极电极层1 一面层叠有或两面均还层叠有金属纳米颗粒层2或/和2’，优选在光敏层3和阴极电极层1 之间层叠有金属纳米颗粒层2，由于金属纳米颗粒层2或/和2’的功函数值低于阴极电极层1的功函数值，对阴极电极层1进行修饰，从而降低阴极电极层1的功函数，从而来增强单层有机太阳能电池器件内部电场。本发明实施例选用低功函数值的金属颗粒作为金属纳米颗粒层2或/和2’的材质，该金属纳米颗粒层2或/和2’功函数值优选为4. 5-2eV,例如锂的功函数在2. 9eV，比铝Al的功函数4. 3eV要低得多，这样，透明阳极电极层4(如ITO 的功函数为4. 6-4. 8eV)和阴极电极层1之间的功函数值之差就会进一步增加，从而增强了单层有机太阳能电池器件的内部电场。当然，本实施例也可以直接将上述低功函数金属纳米颗粒直接为阴极电极层1，但是这种实施方式易产生两方面的不利影响一方面，低功函数金属一般都比较活泼，在大气中容易被氧化，从而影响电极的载流子收集效率，所以在其外侧要辅以较为稳定的金属阴极加以保护；另一方面，低功函数金属(例如锂)被氧化之后的界面反射率大大降低，使得入射有机太阳能电池的太阳光被光敏层3部分吸收之后在阴极电极1处损耗，而无法经过高反射率阴极电极1反射之后经历光敏层3的二次吸收，从而降低了光利用效率。所以，采用低功函数金属纳米颗粒修饰阴极电极1可以避免其对太阳光的损耗，同时又能够达到增强器件内建电场和提高界面激子拆分效率的效果。从而最终提升单层有机太阳能电池能量转换效率。当将低功函数金属纳米颗粒直接为阴极电极层1时，为了避免上述两不利因素的出现，可以采取如上述的在低功函数金属纳米颗粒做材质的阴极电极层1外表面涂上一层抗氧化保护膜层。由于本发明单层有机太阳能电池器件在其阴极电极层的其中一面层叠有或两面均层叠有金属纳米颗粒层，金属纳米颗粒层的功函数值低于阴极电极层功函数值，对阴极电极层1进行修饰，降低了阴极电极层1的功函数，从而进一步增大了阴极电极层1与透明阳极电极层4之间功函数差，从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对激子拆分的效率，最终提升单层有机太阳能电池的能量转换效率，本实施例单层有机太阳能电池的能量转换效率高达0. 1上下，而对于单层有机太阳能电池来说，由于缺少有效的激子拆分界面，因而其效率普遍都很低，如现有的没有设置低功能函数修饰层修饰阴极时的单层有机太阳能电池的能量转换效率在0. 05%以下，相对现有的单层有机太阳能电池而言，本实施例单层有机太阳能电池的能量转换效率提高显著。本实施例还提供单层有机太阳能电池器件的制备方法，包括如下步骤1)制备透明绝缘衬底5 ；2)在所述透明绝缘衬底5的其中一面上形成透明阳极电极层4 ；3)在透明阳极电极层4上沉积光敏材料，形成光敏层3 ；4)在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层，从而得到所述的单层有机太阳能电池，其中，所述阴极电极层至少一面层叠有金属纳米颗粒层；其中，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层1的功函数值。在上述步骤1)中，透明绝缘衬底5的厚度优选为1. 1-1. 5mm，其材质优选上述的透明、绝缘材质，该透明绝缘衬底5的面积大小可根据实际需要做灵活调整，如可小到几个平方毫米，大到几十个平方厘米。在上述步骤2、中，制备透明阳极电极层4的优选方案是将透明绝缘衬底5经清洗后，采用溅射的方法，在所述透明绝缘衬底5的其中一面上镀一层导电薄膜层，并将导电薄膜层采用光刻腐蚀成条纹图样电极，形成透明阳极电极层4。其中，所述透明绝缘衬底5 在溅射前的预先清洗优选先将透明绝缘衬底置于去离子水中，再用超声波清洗2-3小时， 但不仅仅限于超声波清洗，也可以采用本技术领域常用的其他清洗方式清洗，只要最终达到使得透明绝缘衬底5清洁的目的即可。该步骤制备的透明阳极电极层4的材质优选为上述的透明氧化物、金属薄膜或碳纳米管导电薄膜，其厚度为80-120nm，该步骤中溅射方法的溅射工艺参数可采用本技术领域常用的工艺参数。在上述步骤幻中，制备光敏层3的优选方案是将镀有透明阳极电极层4的透明绝缘衬底5经清洗后，在透明阳极电极层4上，采用真空蒸镀的方法沉积生长光敏材料，形成光敏层3。其中，所述镀有透明阳极电极层4的透明绝缘衬底5的预先清洗优选为先利用无水甲醇、丙酮的有机溶剂对将镀有透明阳极电极层4的透明绝缘衬底5进行擦洗，再结合超声波清洗1-2小时后，置于120-150°C下烘烤10-15分钟将其烘干，当然也可以采用本技术领域常用的其他方式烘干，如红外等；光敏层3的材质优选为空穴传输材料、电子传输材料或无机纳米材料，具体材料如上所述，其厚度优选为50-100nm ；该步骤中所述真空蒸镀的方法中真空度高于；所述透明阳极电极层4上沉积生长光敏材料的生长速率为 0.01-0. 05nm/s。
在上述步骤4)中，在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层有以下三种优选方式第一种优选方式先在光敏层3上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2，再在金属纳米颗粒层2上沉积金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层1，从而得到所述的单层有机太阳能电池；该优选方式的进一步方案为在光敏层3上，采用真空蒸镀的方法沉积生长低功函数金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2，再采用真空蒸镀的方法，并辅以电极掩膜板，在金属纳米颗粒层2上沉积生长金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层1，从而得到所述的单层有机小分子太阳能电池，如上述第一种实施方式或如图1所示；第二种优选方式先在光敏层3上沉积金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层 1，再在阴极电极层1上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2’，从而得到所述的单层有机太阳能电池；该优选方式的进一步方案为采用真空蒸镀的方法，并辅以电极掩膜板， 在光敏层3上沉积生长金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层1，再采用真空蒸镀的方法，在阴极电极层1上沉积生长积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2’，从而得到所述的单层有机小分子太阳能电池，如上述第二种实施方式或如图2所示；第三种优选方式先在光敏层3上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2，再在金属纳米颗粒层2上沉积金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层1，然后在阴极电极层 1上沉积金属纳米颗粒，形成另一金属纳米颗粒层2’，从而得到所述的单层有机太阳能电池；该优选方式的进一步方案为在光敏层3上，采用真空蒸镀的方法沉积生长低功函数金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2，再采用真空蒸镀的方法，并辅以电极掩膜板，在金属纳米颗粒层2上沉积生长金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层1，然后采用真空蒸镀的方法，在阴极电极层1上沉积生长低功函数金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层2’，从而得到所述的单层有机小分子太阳能电池，如上述第三种实施方式或如图3所示。上述步骤4)中，在金属纳米颗粒层2和2’的制备步骤中，金属纳米颗粒层2、 2’的材质优选为上述的低功函数的金属纳米颗粒，其中，金属纳米颗粒层2厚度优选为 0. 5-lnm，金属纳米颗粒层2’的厚度优选为大于0. 5nm，金属纳米颗粒的生长速率优选为 0.01-0. 02nm/s，该步骤中真空蒸镀方法的蒸镀工艺参数可采用本技术领域常用的工艺参数，可根据蒸镀物料的不同而根据该物料的属性做适当调整，真空度应高于10_4Pa，当然，真空度越高越好；在阴极电极层1的制备步骤中，阴极电极层1优选由金属薄膜或金属氧化物薄膜构成，具体材料如上所述，其厚度优选为80-120nm，该步骤中真空蒸镀方法的蒸镀工艺参数可采用本技术领域常用的工艺参数，可根据蒸镀物料的不同而根据该物料的属性做适当调整，真空度应高于10_4Pa，当然，真空度越高越好，金属或金属氧化物薄膜的生长速率为 0.1-0. 2nm/s。上述单层有机太阳能电池器件的制备方法是将该太阳能电池器件各层依次形成， 使得各层的连接紧密、牢固，从而使得该太阳能电池器件性能稳定，生产效率高，降低了生产成本，适于工业化生产。本实施例单层有机太阳能电池的工作原理如下如图1或2所示，当太阳光射到从透明绝缘衬底5后，由于透明绝缘衬底5为透明、透明阳极电极层4采用透明的导电材质或者金属薄膜构成和金属纳米颗粒层2厚度很薄，因而其对太阳光的损耗很小，可以忽略不计，且厚度薄，因此，绝大部分太阳光透过透明绝缘衬底5、透明阳极电极层4射到光敏层3上，并被光敏层3所吸收，光敏层3吸收太阳光光子能量之后，产生自由载流子或/和产生具有一定束缚力的电子-空穴对即激子。由于透明阳极电极层4和阴极电极层1之间存在功函数差，从而在单层有机太阳能电池器件的内部产生内建电场，又由于在阴极电极层1 一面或两面均设置有金属纳米颗粒层2或/和 2’，对阴极电极层1进行修饰，降低阴极电极层1的功函数，从而进一步增大了阴极电极层1 与透明阳极电极层4之间功函数差，从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，相当于在光敏层3和阴极电极1之间形成了一个电场方向为由阴极电极1指向光敏层3 的电偶极层，在这个电偶极层不一致的作用下，界面的激子更容易被拆分成自由载流子，在光敏层3上产生的激子在该内建电场的作用下被拆分成两种极性的自由载流子，该自由载流子在上述的内建电场作用下，在光敏层3中分别向透明阳极电极层4和阴极电极层1漂移，从而形成光电流输出。同时由于阴极电极层1为高反射电极，未被光敏层3所吸收的太阳光射到阴极电极层1后被反射至被光敏层3再次被吸收，激发光敏层3产生自由载流子或/和激子，从而增强了本实施例单层有机太阳能电池的对太阳光的转化率。现结合具体实例，对本发明进行进一步详细说明。实施例1单层有机太阳能电池的结构如图1所示，高反射率阴极电极层1采用铝薄膜电极， 金属纳米颗粒2为锂(Li)纳米颗粒，光敏层3采用CuPc酞菁铜薄膜，透明电极4采用ITO 条纹电极，其方块电阻为15欧姆/ □，透明绝缘层5采用石英玻璃。其具体制备方法如下(1)选用1. Imm厚度的抛光石英玻璃作为透明绝缘衬底5，采用超声波的方法对石英玻璃进行清洗2-3个小时；(2)采用溅射的方法在石英玻璃一表面生长一层ITO导电薄膜，ITO薄膜厚度为 120nm ；(3)将ITO导电薄膜光刻蚀成所需要的条纹电极图样作为透明阳极电极层4，也即是电池的阳极；(4)整个ITO玻璃基板通过无水甲醇、丙酮的擦洗，并在去离子水中超声清洗 1-1. 5小时，之后将ITO玻璃基板在130摄氏度的高温炉中烘烤15分钟；(5)将样品从高温炉中取出，送入真空蒸镀系统的生长腔中，其真空度为 IO-STorr,采用真空蒸镀的方式生长CuPc酞菁铜薄膜作为光敏层3，其厚度为50nm，生长速率为 0. Olnm/s ；(6)在光敏层3表面采用真空蒸镀的方式生长锂(Li)纳米颗粒作为低功函数金属纳米颗粒2，其厚度为0. 5nm,生长速率为0. 01nm/s ；(7)在金属纳米颗粒2表面，辅以条纹掩膜板真空蒸镀120nm厚度Al铝条纹电极作为高反射率阴极电极1，生长速率为0. 15nm/s，待阴极电极层1生长到120nm厚度时停止真空蒸镀，从而得到本实施例的单层有机太阳能电池，本实施例制备的单层有机太阳能电池能量转换效率为0. 094%。实施例2如图2所示，高反射率电极1采用Ag银薄膜电极，金属纳米颗粒2采用锂Li纳米颗粒，光敏层3采用并五苯薄膜，透明电极4采用ITO条纹电极，其方块电阻为15欧姆/ □，透明绝缘层5采用石英玻璃。其具体制备方法如下(1)选用1. 5mm厚度的抛光石英玻璃作为透明绝缘衬底5，采用超声波的方法对石英玻璃进行清洗2-2. 5个小时；(2)采用溅射的方法在石英玻璃一表面生长一层ITO导电薄膜，ITO薄膜厚度为 80nm ；(3)将ITO导电薄膜光刻蚀成所需要的条纹电极图样作为太阳能电池的阳极；作为透明阳极电极层4，也即是电池的阳极；(4)整个ITO玻璃基板通过无水甲醇、丙酮的擦洗，并在去离子水中超声清洗 1. 5-2小时，之后将ITO玻璃基板在150摄氏度的高温炉中烘烤12-15分钟；(5)将样品从高温炉中取出，送入真空蒸镀系统的生长腔中，其真空度为 IO-7Torr,采用真空蒸镀的方式生长并五苯薄膜作为光敏层3，其厚度为80nm，生长速率为 0.04nm/s ；(6)在光敏层3表面采用真空蒸镀的方式生长钠(Na)金属纳米颗粒作为低功函数金属纳米颗粒层2，其厚度为0. 8nm,生长速率为0. 02nm/s ；(7)在金属纳米颗粒2表面，辅以条纹掩膜板真空蒸镀SOnm厚度银条纹电极作为高反射率阴极电极层1也即是太阳能电池的阴极，生长速率为0. lnm/s，待阴极电极层1生长到SOnm厚度时停止真空蒸镀；(8)在阴极电极层1表面采用真空蒸镀的方式生长铯(Cs)金属纳米颗粒作为低功函数金属纳米颗粒层2’，其厚度为1. 5nm,生长速率为0. 02nm/s，待金属纳米颗粒层2’生长到80nm厚度时停止真空蒸镀，从而得到本实施例的单层有机太阳能电池，本实施例制备的单层有机太阳能电池能量转换效率为0. 11%。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种单层有机太阳能电池，其特征在于包括透明绝缘衬底、在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层和阴极电极层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。
2.根据权利要求1所述的单层有机太阳能电池，其特征在于所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为锂、铯、钾、钠中的至少一种金属纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的单层有机太阳能电池，其特征在于所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值为4. 3-&V，所述金属纳米颗粒层的厚度为0. 5-lnm。
4.根据权利要求1所述的单层有机太阳能电池，其特征在于所述透明绝缘衬底的材质为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚酯；所述透明阳极电极层是材质为氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌镓、氧化铟锌、金、铝、银或碳纳米管的导电薄膜；所述光敏层的材质为酞菁染料、并五苯、吓啉化合物、菁染料、富勒烯、PTCDA、二奈嵌苯、二奈嵌苯衍生物、CdSe, CdS、CdTe, TiO2, ZnO, PbS、SnO2、碳纳米管或石墨烯； 所述透明绝缘衬底的厚度为1. 1-1. 5mm ； 所述透明阳极电极层的厚度为80-120nm ； 所述光敏层的厚度为50-100nm。
5.根据权利要求1所述的单层有机太阳能电池，其特征在于所述阴极电极层的材质为银、铝、钙铝合金、镁银合金、氧化铟锡或氧化锌；所述阴极电极层的厚度为80-120nm。
6.一种单层有机太阳能电池制备方法，其包括如下步骤 制备透明绝缘衬底；在所述透明绝缘衬底的其中一面上形成透明阳极电极层； 在透明阳极电极层上沉积光敏材料，形成光敏层；在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层，从而得到所述的单层有机太阳能电池，其中，所述阴极电极层至少一面层叠有金属纳米颗粒层；其中，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。
7.根据权利要求6所述的单层有机太阳能电池制备方法，其特征在于所述在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层通过以下三种形成步骤中任意一种实现先在光敏层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，再在金属纳米颗粒层上形成阴极电极层，从而得到所述的单层有机太阳能电池；或者，先在光敏层上沉积金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层，再在阴极电极层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，从而得到所述的单层有机太阳能电池；或者，先在光敏层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，再在金属纳米颗粒层上沉积金属或金属氧化物薄膜，形成阴极电极层，然后在阴极电极层上沉积金属纳米颗粒，形成另一金属纳米颗粒层，从而得到所述的单层有机太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的单层有机太阳能电池制备方法，其特征在于所述透明阳极电极层形成步骤是采用溅射的方法在透明绝缘衬底的其中一面上镀导电薄膜；所述光敏层形成步骤是采用真空蒸镀的方法在透明阳极电极层上生长光敏材料； 所述金属纳米颗粒层形成步骤是采用真空蒸镀的方法在光敏层上生长金属纳米颗粒；所述阴极电极层形成步骤是采用真空蒸镀的方法在金属纳米颗粒层上生长金属或金属氧化物薄膜。
9.根据权利要求8所述的单层有机太阳能电池制备方法，其特征在于所述金属纳米颗粒层制备步骤中，所述真空蒸镀的真空度高于10_4Pa，金属纳米颗粒在光敏层上的生长速率为0. 01-0. 02nm/s ；所述光敏层制备步骤中，所述真空蒸镀的真空度高于10_5Pa，光敏材料在透明阳极电极层上的生长速率为0. 01-0. 05nm/s ；所述阴极电极层制备步骤中，所述真空蒸镀的真空度高于10_4Pa，金属或金属氧化物薄膜在金属纳米颗粒层上的生长速率为0. 1-0. 2nm/s。
10.根据权利要求6所述的单层有机太阳能电池制备方法，其特征在于所述透明阳极电极层制备步骤中，所述透明绝缘衬底包括预先清洗处理，所述预先清洗处理按如下步骤进行将透明绝缘衬底置于去离子水中，再用超声波清洗2-3小时；所述光敏层制备步骤中，所述镀有透明阳极电极层的透明绝缘衬底包括预先清洗处理，所述预先清洗处理按如下步骤进行利用无水甲醇或/和丙酮对将镀有透明阳极电极层的透明绝缘衬底进行擦洗，再结合超声波清洗1-2小时后，置于120-150°C下烘干。
全文摘要
本发明公开了一种单层有机太阳能电池，包括透明绝缘衬底、和在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层和阴极电极层，所述阴极电极层至少一面层叠形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值。该单层有机太阳能电池中设置了金属纳米颗粒层，从而进一步增强了单层有机太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对的激子拆分效率，使得最终提升其能量转换效率；单层有机太阳能电池器件的制备方法将该太阳能电池器件各层依次形成，使得各层间连接紧密、牢固，从而使得该太阳能电池器件性能稳定，生产效率高，适于工业化生产。
文档编号H01L51/48GK102315389SQ20101022308
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者周明杰, 孙晓宇, 黄杰 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司